80MN自由锻造油压机设计

80MN自由锻造油压机设计 37摘 要本文介绍了大型自由锻造油压机的发展历程，现状以及发展方向，通过查阅各种参考资料文献，对80MN自由锻造油压机的结构进行了一定的设计，其中对工作缸、上横梁、活动横梁进行了较为详细的结构设计以及强度校核，以图示的方式对导向装置、快换缸等部件进行了视觉上的认知。80MN自由锻造油压机作为大型自由锻造油压机被世界各国重工业广泛应用。关键词：80MN自由锻造油压机；工作缸，活动横梁，导向装置ABSTRACTThis paper describes large-scale free forging hydraulic press of the development process, current situation and development direction.By consulting a variety of reference documents, design some 80MN free forging hydraulic machine structure.One of the working cylinder, the beam, beam activities carried out in a more detailed structural design and strength check.A graphical way to understand guiding device, quick-change cylinders, activity beams and other parts by visual.80MN free forging hydraulic press as a large free forging hydraulic press is widely used for heavy industry around the world.Key words: 80MN free forging hydraulic press, working cylinder, activities beams, guiding device目 录1 绪论-11.1 自由锻造油压机的概述 -11.2 80MN自由锻造油压机的基本参数 -11.3 80MN自由锻造油压机的发展概论 -21.4 80MN自由锻造油压机的特点 -51.5 80MN自由锻造油压机的发展趋势 -81.6 80MN自由锻造油压机的工作原理 -101.7 本章小结-112 80MN自由锻造油压机本体结构设计概况-122.1 自由锻造油压机本体结构设计内容及设计原则-122.2 本章小结-123 液压缸部件的设计和计算-133.1 工作主缸设计-133.2 本章小结-194 上横梁和活动横梁的结构设计及校核-204.1 上横梁的结构尺寸设计-204.2 上横梁的结构校核-214.3 活动横梁的结构尺寸设计-254.4 活动横梁的结构校核-274.5 本章小结-295 立柱设计及校核-305.1 立柱直径计算设计-305.2 拉紧螺栓的强度计算-305.3 本章小结-316 回程缸的设计及校核-326.1 回程缸结构尺寸确定-326.2 回程缸筒壁部分强度校核-326.3 本章小结-337 结论-34参考文献 -35致谢 -36 1 绪论随着经济建设的迅速发展，尤其国防工业和重工业发展的需要，大型化甚至超大型自由锻件的市场需求量日益增大，对大型、超大型自由锻造装备的需求十分紧迫1。目前，国内外在电力、造船、航空、核电等机械制造业都向大型产品不断发展，这些产品的关键零部件都是自由锻造液压机的锻件所构成，大型锻件的生产在尺寸和重量方面不断增大，在质量要求方面也不断提高，生产大锻件的液压机等级,被视为一个国家的机械工业发展水平的重要标志之一2。1.1 自由锻造油压机的概述自由锻造压机是以高压液体作为工作介质传递工作压力的锻压机械，适用于钢锭的开坯和各种轴类、饼类、环类、筒体类锻件相对应的镦粗、拔长、滚圆、冲孔、扩孔等锻造，为机械、电力、化工、造船和军工等行业提供各类锻件。自由锻造压机按工作介质分主要有两种，采用乳化液的一般称为水压机，采用液压油的称为油压机，水压机一般采用水泵一蓄势器传动，油压机采用油泵直接传动3。1.2 80MN自由锻造油压机的基本参数基本参数是油压机的基本技术数据，是根据油压机的工艺用途及结构类型来确定的，他们反映了油压机的工作能力及特点，也基本上定下了油压机的轮廓尺寸及本体总重。1.2.1 公称压力 ：80 MN公称压力反映了油压机的主要工作能力，代表油压机名义上能发出的最大力量，在数值上等于工作液体名义最大压力和工作柱塞总工作面积的乘机（取整数）。1.2.2 最大净空距H ：6000 mm最大净空距是指活动横梁停在上限位置时从工作台上表面到活动横梁下表面的距离。最大净空距反映了油压机在高度方向上工作空间的大小，它应根据模具及相应垫板的高度、工作行程大小及放入坯料、取出共建所需要的空间大小等工艺因素来确定的。最大净空距对油压机的总高、立柱长度、油压机本体结构稳定性以及安装厂房高度等都有很大影响。因此，既要尽可能满足工艺要求，又要尽量减小压机的高度，以降低其造价。 1.2.3 最大行程s ： 2500 mm最大行程指活动能够横梁位于上极限位置时，活动横梁的立柱导套下平面到立柱限程套上平面的距离，即活动横梁能移动的最大距离。最大行程应根据工件成形过程中所要求的最大工作行程来确定。它直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度，从而也影响整个机架的高度。1.2.4 活动横梁运动速度 ： 80 mm/s可分为工作行程速度、空程下行速度与回程速度。应根据不同的工艺要求来确定工作行程速度。它的变化范围很大，并直接影响工件的质量和对泵的功率要求。空行程及回程速度可以高一些，以提高生产效率。但如果太快，会在停止或换向时引起冲击和震动。1.2.5 允许最大偏心距 ： 250 mm在油压机上进行的许多工艺操作中，往往要承受偏心载荷。偏心载荷在油压机的宽边与窄边都会发生。允许最大偏心距是指工件变形阻力接近公称力时所能允许的最大偏心值。在结构强度与刚度设计计算时，应考虑此偏心值。1.3 80MN自由锻造油压机的发展概论锻造液压机生产能力发展迅速，从建国初期为我国自行设计制造25MN锻造液压机，现已有五十年历史4。2007年12月7日,在成都，中国国家副主席二重集团公司总经理项目总监曾向东说 在德阳，即四川省西南部,中国已经开始建设的80,000吨锻压机，为制造大型飞机，作为一个国家长期梦想的道路，这15.17亿元（20470万美元）投资项目，赢得了国家发展和改革委员会的批准，在两年半的时间内,预计将成为世界上最大的液压机。在制造大型客机方面大型压铸液压机是主要的工具之一。曾庆红说,只有少数几个国家，包括美国，俄罗斯，法国有这等设施。目前最大的液压机是75000吨，在俄罗斯。所有在中国的液压机目前都低于4万吨，这些都是利用对大型客机的关键部件，从而阻碍航空业设备和制造的发展。陈效慈，副液压机制造项目主任，他说机器的设计由中国国家二重集团和公司大院完成。该公司已生产40多万模锻件，在过去的30多年来为中国航空工业在所有的中国飞机模型进行使用。中国开始建造超大型飞机于1970年，仅仅两年后，空中客车公司投入生产，尽管是一个良好的开端,但这个计划后来被搁置。经过数十年的悬置，中央政府去年恢复了在第11五年蓝图五年计划（2006-2010年），以满足该国日益增长的航空旅行需求。在2002年,为了准备大型飞机项目，中国开始建立自己的喷气式客机ARJ - 21,意思是“先进的21世纪的喷气式飞机”。只有美国，俄罗斯，法国，德国，英国和西班牙目前有能力建造超大型飞机,而美国的波音和欧洲的空中客车，占到绝大部分的国际市场份额。液压机是制品成形生产中应用最广泛的设备之一，随着我国设备制造业的兴盛，对大型锻造液压机设备的需求越来越多5。为适应锻造车间装备现代化和生产经济性要求，太重新近开发了中国首台72/80MN油泵直接传动双柱斜置式快速锻造液压机和430kN/90 0kNm全液压轨道式锻造操作机成套装备。这台全新构造的锻造液压机配置了世界上最先进的机电液控制元件和系统，以及配套齐全的机械化辅助设备，采用 PLC与计算机两级控制，使压机的速度、位置和压力得到精确的控制，实现锻造压机的结构、传动方式、控制技术和整机性能的创新，以从根本上改善锻造车间的劳动环境和条件，实现锻造作业自动化操作和文明化生产。图11 双柱预应力结构自由锻造液压机其主要技术特点如下:（1）双柱式预应力组合框架结构自由锻造液压机的特点是开档大，行程长，人工作业时间长，工模具更换频繁，工况恶劣，偏心锻造经常发生，故设计原则与一般压机有诸多不同。基于现代锻造压机高精度和快速性的工艺要求，压机的整体结构刚性和导向精度非常关键，决定着压机的整体性能。在双柱斜置式大型锻造液压机上采用多拉杆将上、下横梁和立柱预紧固成一个预应力结构整体机架，在我国尚属首次。压机结构紧凑，具有较高的整体结构刚性、抗疲劳强度、承载能力和安全可靠性。活动横梁设计为特殊的五件组合式构造，封闭机架的立柱，在12个平面上导向，上下导向面间距长，工作时自动贴合立柱，导向面压低，导向精度高;主缸与活动横梁采用双球饺联结，允许偏心锻造范围800mm,偏心锻造所产生的偏载力可经立柱传递到上横梁，有效地减小了对主缸密封处的作用力，延长了密封的寿命。（2） “宜人化”的锻造操作环境双柱式结构具有视野开阔、宜人的操作空间、行车易于接近中心、钢锭和锻件进出空间大、工艺范围广等优越性;可按程序自动组合和调用上下砧具，缩短了辅助作业时间，减轻了繁重的体力劳动，有效地提高了生产效率。砧库可容纳包含上下砧在内的四套砧模，各有一个固定的类型编号。砧库每移动一个砧位时，上位机屏幕上即可随动显示出相应砧子的数据块，使操作者非常容易地识别砧子所处的位置。用鼠标点击屏幕上砧库中的任一套砧子，则可得到该砧子的全部技术信息。移动工作台上可放置两套砧子，横向移动装置可容纳三套砧子，其数据信息系统工作原理与砧库相同。它们的实际位置和调整位置数值均可以在屏幕上显示。当砧子进入压机中心后，下砧随着工作台或砧子横移装置运动，上砧数据信息则传递给上砧快速夹紧/松开装置。（3）友好的人机操作系统和过程控制技术压机具有一个人操作的友好的人机交互操作系统与故障诊断系统，多层面、实时地向操作者提供生产工艺、设备状态技术信息;压机与锻造操作机以及辅助装备实现协调联动操作控制，并按预先编好的锻造程序自动完成一根台阶轴的锻造。控制系统可由屏幕进行设置和启动，通过输入相应参数进行操作，而且可将生产经验变成智能型、Teach-in功能的操作软件。工艺过程数据库可在线实时图形显示出工艺过程状态、液压系统参数、各机构运动的位置和参数、系统报警和错误信息以及故障诊断等。屏幕可以数字或曲线显示和实时更新压机在给定条件下的实际状态，如工作压力、速度、位置和锻造温度，以及用户要求的相关数据。（4）技术性能 1)较高的行程速度和锻造频次采用大流量双组合伺服变量泵直接传动和高频响比例阀与数控技术，实现液压机在规定的条件下的决速锻造，以及与操作机联机控制和实时监测，可使工作速度达160mm/s以上，锻造频次75次/分钟，缩短作业时间，节约能源，提高效率和锻件品质，降低功率损耗。 2)锻造尺寸精度控制采用两套绝对值编码器实时检测活动横梁的行程和进行闭环控制，针对快速锻造时连续锻打的工作特点，采用智能的HNC-100数控轴对活动横梁的位移自动补偿，使锻件的热态精整锻造精度控制达到1mm。 3)与操作机联机操作系统与锻造压机同步开发的多功能、无侧隙驱动的全液压轨道式锻造操作机，采用HNC-100数控轴，夹持锻件实现高精度的进退、翻转、提升的自动控制，同时具有倾斜、侧移、侧摆等功能，配合压机完成钢锭开坯、拔长、整园等联动锻造工艺操作6。其关键技术研究如下:（1）结构有限元分析(FFM)采用计算机三维有限元分析软件如Nanstran对双柱预应力机架结构、主工作缸等在不同载荷工况下三维有限元应力场、位移场分析，进行结构优化设计，采用大型流变分析商业软件如Marc非线性分析软件进行锻造成形工艺数值分析，作为锻造液压机设计和工艺设计的一个重要手段。通过相应结构的应力应变场FEM分析，预测出锻造过程中的结构的应力状态及其变形趋势，有助于合理选用材料和延长工作寿命;通过比较，优化受力框架的结构，确定其在最佳最佳强度和刚度下的几何尺寸，使材料得到合理的分配，充分发挥出所用材料的潜力。（2）液压系统仿真计算采用回程缸蓄势站与主缸快速锻造阀的快锻系统设计思想，满足快速锻造频次最大容限设计，包含系统的动态响应、超调量和过渡过程，以及士lmm的锻造尺寸精度及其闭环控制系统研究。（3）压机顶立力多拉杆的配置、预紧力的分配和预紧方法研究。在预紧过程中电测拉杆和立柱的应力和变形，并将检测传感器永久保留，使其在寿命周期内将工作过程中监测拉杆的应力应变状态实时显示在上位机屏幕上。（4）系统软件的开发，如典型轴类件锻造工艺程序编制，锻造过程PLC逻辑控制程序设计，故障检测系统数据库的建库，上位工业计算机与通讯系统开发研究7。（5）先进的PLCS7-400电子控制系统。该系统是由功能块组成的,具有结构清晰维修简易的特点。它的特殊性在于对液压机和操作机的指令控制,包括锻件厚度的测量控制都是由一个程序逻辑控制系统(PLC)完成。它的优点在于:1)具有成套控制的清晰表现;2)操作及功能过程的全监控;3)具有用对话框操作的可能性;4)具有与辅助的和叠加的计算机系统相联的可能性;5)熟悉“PLC”系统的人员就可从事维护工作;6)易于修补;7)备件存储量低。该控制系统还具有清晰的和直观的显示画面,既有助于操作者操作,又有助于维修者维护。可实现手动、半自动和自动控制(联控)操作。在液压机和操作机联控的操作条件下可实现液压机优先或操作机优先的两种操作方式。在自动操作时还可实现液压机行程、压入尺寸和操作机旋转角度、升降行程的微调功能8。1.4 80MN自由锻造油压机的特点80MN自由锻造油压机是大中型锻造厂广泛使用的一种设备，适用于普通和优质碳素结构钢、合金结构钢、轧辊钢等钢锭的开坯和各种轴类、饼类、环类、筒类等锻件所对应的镦粗、拔长、冲孔、扩孔等自由锻造工艺。目前，国内外在电力、造船、航空、核电等机械制造业都向大型产品不断发展，这些产品的关键零部件都是自由锻造液压机的锻件所构成，大型锻件的生产在尺寸和重量方面不断增大，在质量要求方面也不断提高，因此，设计80MN自由锻造油压机对我国大型自由锻件的生产能力和水平提高、对促进我国装备制造业的技术进步是有着重要意义的。1.4.1 油压机工作介质特点和传动系统的选用目前，新的40MN以下的锻造液压机一般都采用油压传动控制系统，而更大规格的压机仍然采用水泵蓄势器传动系统，究其原因可以从两种传动系统的具体特征，特别是介质液体的特殊性能及压机维修等方面分析而得出。（1）气穴现象气穴的形成是由于高温或一定的压降条件下，液体蒸发所造成。经验证明，水压系统中的气穴造成的损坏比油压系统中气穴造成的损坏至少大10倍。繁重而危险的阀体和泵体的修磨工作，对每个水压系统的维修人员来说，都是已知的困难。而油压系统中的气穴，一般只在较高流速的泵吸入时才能观察到。对这些部位产生的气穴的清除.通常用变换泵速或改变吸入管直径灼办法来达到;在控制阀中，气穴的损害几乎未曾发现。这种差异的主要原因是:液压油的高粘度抑制了汽泡的内爆并对阀体材质起了保护作用。就气穴问题而论，油压系统优于水压系统。（2）磨损(冲刷)每一次液体的喷流都可视为一种机械式的切削作用。高压液体流束对液压系统中的阀门泵组零件就会造成冲刷磨损，而水压系统造成的损坏比油压系统大得多，这是因为油压系统里的矿物油的高粘度减少了冲刷作用。在水泵蓄势器传动系统中，还存在着使冲刷磨损增强的条件，如高流速或喷射引起的高的压力降等。这是该种系统的特有规律，因其压机速度只能依靠液体节流来进行控制。（3）腐蚀既然，油类已广泛用作抗腐蚀的保护品，那么毫无疑问，就腐蚀而言，用油好于用水。另外，腐蚀和气穴侵害常常又一起发生，因而水压系统本身就有造成损害的倾向。由于腐蚀是由电解反应所引起，并且水很少是中性的，因而当不同电性的物质，像铜导套与其中的钢制活塞相接触时，腐蚀损害程度就会加倍。只有持续不断地维护水压系统，并定期检查水质条件，才能减少压机的维修工作量。然而，将水和乳化油结合起来的添加剂，在生物范畴是不稳定的，因此其腐蚀损害程度只能降低，而不能根除。（4）加压所有正常状态矿物油的压缩系数大约是水的两倍左右，而且在压机液压缸和管道中油的压缩降低了整个机器的效率。因为在大多数的锻压行程中所含蓄的能量，在回程性程中不能加以利用。这意味着，就压缩状况而言，水要优于油。然而，对水压系统的蓄势器传动系统和油泵直接传动系统相比较时，既便已有的这个优势也只能减弱。在蓄势器传劝系统中液体必须加压到最大额定压力值，而泵直接传动系统中.液体只需加压到可以克服锻件变形阻力而进行锻压行程的程度即可，而且这种压力值往往很低。此外，矿物油具有较高的压缩值，即它的抑制效果可以降低管道系统中的压力冲击。（5）密封特性水压系统中水分子粒度较小，只能采用接触式密封，所需的密封压力造成的摩擦和磨损较大。而标准的液压油的分子粒度较大，金属与金属间可以用间隙式密封就可以达到移动件之间有效的密封特性，几乎不造成磨损而仅仅存在很小的摩擦而已。水压系统中泵的密封应该是可更换并要求易于接近。而标准型三柱塞水泵的体积较大，比油泵贵得多。具有同等流量的油泵，几乎没有活塞密封环节，而且可以设计成径向或轴向柱塞式泵，能在很小的单位压缩体积内以较高的转速运行。（6）液体成本初看起来，在这点上水压系统比油压系统具有明显的优越性，因为油液比水贵得多。然而，由于水压系统有较大的腐蚀性和较差的润滑性，它需要额外的乳化油来改进其品质特性。虽然，标准的乳化剂只占23%，但较差的密封性使水压系统比油压系统更易泄漏。在高压水系统中的任何泄漏都是腐蚀的根源。并导致更大的泄漏。更换介质液体需要新的乳化油，年终积累计算其成本高于油压系统的液压油。液压油可以使用10000-20000h,而且再生后还可使用。泄漏的水乳剂为可溶性液体，会消失在排水系统或最后注入河流中污染环境，而矿物油为不可溶液体，能从水中分离出来，加以收集利用。（7）燃烧性液压油有可燃性的，这也就是为什么技术先进的油压传动装置不被用于大型液压机(仍然装配水压系统)的主要原因。锻造力超过40MN的压机一般仍采用上传动机构，而上传动比下拉式具有更大的火灾危险。因为下拉式压机的工作缸低于地平面。可是从1975-1985年间使用情况看，在世界各地进行锻造压机的各种现代化更新改进中，至少有80台套的上传动压机已成功地配置了油压传动系统。如日本钢铁铸造公司使用的一台80MN/100MN锻造压机采用油压传动系统，已经运行8年(至1985年)多，从未发生过火灾。因为这台上传动压机只有3根高压管道通向顶部的工作缸，所有的控制装置、充液阀和充液罐都安置低于地面的位置上。以防止火灾。（8）运行特征蓄势器传功的压机实际运行一般只需较低的工作压力，介质液体就以最高压力存贮起来。为了保持压机运动，在蓄势器和液压缸之间需要维持一个恒定的压降。液压缸中的压力随工作负载不同而变化，因而会有一个不断变化的压降存在。压机的速度由供给液压缸的高压水节流来控制。泵供给蓄势器的水量是由蓄势器内的水位来控制，并且在最大压力10%的范围内变动。为了获得最低的工作速度，这一压降还需再加上5%。由此可看出，蓄势器传动的压机最多只能利用其正常容量的85%。泵直接传动的压机速度直接与泵的输出流量成正比，即系统中泵与工作缸的压力几乎是一致的，整个系统功效很高，压机力量可以使用到泵安全阀所设设定的额定压力。但泵直接传动装置中其能量不能积累，需要比蓄势器更多的泵容积。可是，泵直接传动系统的平均能耗较低，而且油压系统的投资费用比水蓄势器系统少，油泵价格便宜，只需较少的占地面积，阀门等元件也较少，其系统工作参数可以精确地计算出来，并能准确地加以控制。（9）维修水压系统中泵和阀等基本元件较简单，它们的功能可以从外部进行检查，油压系统中泵和阀一般都是隐蔽的，它们的功能动作很少能从外部检查得到。从表面上看，水压系统的维修似乎较简单，然而现代化压机的传动系统，无论是蓄势器或是泵直接传动都需要自动控制，这就是说，即使水压控制系统也要配置油压先导控制系统，以获得必需的伺服功能及联锁作用。在两种系统中，获得复杂逻辑功能的基本因素是相同的，而且在比较水压还是油压系统时，它们的维修和掌握需要的技能和经验是相同的。对于两种传动系统的所有特征和性能比较的一个理智的考虑，会得出这样的结论:油压系统无论是在上传动的大型压机，还是小型下拉式压机都占有优势，并且，这种优势在最新的锻造压机设计的改进型传统系统中得到进一步增强。1.5 80MN自由锻造油压机的发展趋势随着现代科学技术的迅速发展，近二十年来，自由锻造液压机组联动和程序化、自动化锻造所显示出来的优越性已逐渐被人们所认识，对传统型式的压机进行现代化改造的必要性、迫切性愈来愈被重视，改造后所带来的巨大经济效益以及在短期内回收投资的可能性也被人们所接受9。像80MN自由锻造油压机这类大型的锻造液压机，其发展趋势和技术进步表现在以下几个方面：1.5.1 安全性设计安全性系指事故概率的高低。而“事故” 则是有别于“故障” 的概念。锻造液压机，尤其是大型锻造液压机关系到企业的命脉，甚至关系到国家的战略装备，一旦发生事故影响极大。其“事故”可包括人员死亡、长时问(如30天以上)停产及数百万元经济损失等。所谓安全性设计是保证压力机事故概率极小，即事实上的零事故率。这就要求压力机设计中应使其具有“主动安全” 和“被动安全”性能。“主动安全”性能是指任何故障和人为误操作均不导致事故。如，任何情况下，动梁不会自由下落；任何情况下，立柱不折断；任何情况下，不导致工艺执行失误等。显然，这样的压力机具有一定的智能化特征。“被动安全” 性能是指在导致事故的因素已经形成时，中断事故的进程。1.5.2 可靠性设计可靠性设计的目标是尽可能降低故障率，即尽可能提高压力机的寿命。为此，在压力机设计中应建立“稳定性设计”、“保护性设计”、“整体性设计”和“协调性设计” 的概念。(1)“稳定性设计” 是尽可能消除或减小冲击、振动的设计。应实现平缓卸载，防止因瞬时卸载(如冲孔结束瞬间)引起的强烈振动而损伤薄弱部位，并导致故障。如，在冲孔结束前逐渐降低动梁速度，并设法适当反向加压。应实现平缓换向，防止因速度瞬时突变引起强烈冲击。这方面业内人士已做了许多卓有成效的工作，基本实现了按正弦曲线控制速度的目标。(2)“保护性设计” 是保证压力机工作在允许状态的设计。如偏载不可避免，因此在设计中通常规定了一个椭圆形的区域，如果超出该区域，压力机可能受到损伤。为此，可设计超偏载保护系统，使压力机在出现超偏载时自动纠正或报警、停机。(3)“整体性设计” 是保证组合结构具有整体工作性能的设计。大中型锻造液压机的框架、下梁等只能采用组合结构。若其结合面在承载后“开缝”，卸载后“闭合”，数次反复后必将导致结合面损伤、预应力失效及组合结构松动。此类缺陷一旦形成，修复极其困难。因此，保证组合结构的整体性在压力机设计中十分重要。整体性设计的任务应包括三个方面：一是组合结构的整体性分析，即对于已确定的组合结构，分析其承载后是否出现“开缝”，如计算压机预应力组合框架承载后，其梁一柱结合面的接触状态；二是确定影响整体性的敏感结构参数，如组成压力机框架的立柱断面积、横梁的高度等；三是确定组合结构的预应力参数，如拉杆的断面积、预紧力等。由于大中型液压机的复杂性和重要性，传统设计中常用的理想预紧曲线(对于框架仅考虑立柱和拉杆的变形，而将横梁等大型构件视为绝对刚体)已无法正确描述构件间的整体性关系，可建立真实预紧曲线。整体性分析需在三维接触有限元模型上进行。(4)“协调性设计” 是使组合结构接触面的接触应力分布均化的设计。组合结构中因各组元问承载后变形不协调，导致结合面法向应力分布很不均匀，产生了特高应力区。在大型组合结构中这一现象具有普遍性，但却鲜见关于此类问题的研究报道。一方面是由于当特高应力值超过屈服极限后，可能仅出现局部轻微塑性变形，使特高应力区扩大，特高应力“矮化” 为一般高应力，除影响局部配合精度外，未进一步损伤结构，在宏观上暂时感觉不到结构损伤，因而未引起关注。可把这种应力均化称之为“被动均化”。另一方面是由于特高应力区出现明显的塑性变形，乃至溃裂损伤，从而破坏了组合结构的整体精度，并影响了承载体系的载荷分配关系，比如导致各立柱的不均匀受力等。然而，即使由此造成了立柱断裂，也未将其归咎于组合结构的不协调。因上述不协调造成的特高应力对压力机的影响不容忽视，应在设计阶段主动设法降低10 。总的来说，液压机的发展趋势如下：1) 高速化，高效化，低能耗。提高液压机的工作效率，降低生产成本。2) 机电液一体化。充分合理利用机械喝电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。3) 自动化，智能化。微电子技术的告诉发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现在加工方面，还应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理的功能。4) 液压元件集成化，标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效的防止泄漏和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便11。1.6 80MN自由锻造油压机的工作原理如简图12所示，通过油泵使高压油进入工作缸1，推动工作柱塞2向下运动，工作柱塞带动活动横梁5，将处在上砧6与下砧7之间的锻件进行锻造。回程时，高压油进入回程缸11，推动回程柱塞10向上运动，通过其顶部小横梁9及拉杆12，带动活动横梁向上回程。图121.7 本章小结本章主要对自由锻造油压机的作用，课题80MN自由锻造油压机的工作原理，基本参数，发展状况及特点，以及其未来的发展趋势进行了介绍。2 80MN自由锻造油压机本体结构设计概况2.1 80MN自由锻造油压机本体结构设计选择大型锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，其在国民经济各部门获得了广泛的应用。锻压机大都采用三梁(上梁、下梁和动梁)的结构型式，并且其主要结构件均由铸钢浇铸而成12。自由锻造液压机的主要机架结构有单臂式、三梁四柱式及双柱式锻造液压机等，在传动上分为上传动式和下拉式，传动介质可分为水传动、乳化液传动和油传动，柱也可设计为方柱或圆柱等等可随各种要求进行设计。选择方案由于我设计的是80MN自由锻液压机的本体结构以及活动横梁的部件结构，80MN自由锻液压机属于大中型液压机，大中型锻造液压机具有锻造范围广、锻造能力强、操作方便13 ，但由于其公称力大，因此在结构上我选择采用三梁四柱上传动机架。同时由于液体压力参数的变化，我设计的80MN自由锻液压机可分成四级压力，在结构强度等设计上应有更周全的考虑。主要技术参数：(1) 公称吨位: 72/80MN；(2) 压力分级：24/48/72/80 MN；(3) 工作介质: 液压油；(4) 液体压力: 31.5/35 MPa； (5) 传动形式: 油泵直接传动； (6) 柱塞行程: 2500 mm ；(7) 净空距: 6000mm。三梁四柱上传动的机架在自由锻造油压机行业上运用非常广泛,它工作状态比较稳定,这对于大中型自由锻造油压机较大的公称力来说相当的必要,而上传动结构相对于下拉式传动时的安装校准较方便,对于地基深度,精度要求相比较低。本课题还附带对活动横梁的设计计算校核以及制图任务，通过对导向装置，快换缸等视图从油压机的局部部件进行详细的了解。2.2 本章小结本章通过对给定参数，技术要求，结合油压机的各种结构特点，对所设计的80MN自由锻造油压机结构方案进行选择。3 液压缸主缸的设计计算及校核 3.1 液压缸主缸结构尺寸确定及强度校核根据公称压力FH26.67 MN，液体最大压力p35MPa 和该油压机的工作过程设计液压缸。3.1.1 液压缸主缸的结构尺寸确定根据本课题的各个部件工作形式，选择主缸为柱塞式。（1）柱塞直径D确定根据公式D 2r （31） 984.9 mm计算出的液压缸内径根据JB200176取标准值D1000 mm，r500 mm。（2）液压缸内径、外径的确定液压缸材料选用20MnMo，材料的力学性能为 370MPa 根据公式确定内径D1D2r11020 mm （32）取1020mm通过内径计算外径D2 （33）由于177MPa，则D2 1233.2 mm元整为D21250mm r2625mm（3）参考图31，计算工作主缸各个参数图31壁厚 S r2 - r1625510115mmt （1.52）S240mmR1 0.4r1204mmh （1.52）S 240mmL 1.5 S172.5mmS1 1.15 S 132.25mm 10R (0.150.25) 20mm设计缸外径近法兰处直径及法兰直径640mm800mm参数计算73mm567.5mm （取0.70.8）缸底进水孔直径 100mm3.1.2 液压缸主缸的强度校核（1）校核筒壁部分强度对大应力点在缸筒内壁，按照公式（35）计算的当量应力为 （35）168.39 MPa 安全系数为 ns 2.197 所以缸筒内壁强度是安全的。（2）校核缸底部分强度按照平板公式（36），即米海耶夫推荐的公式计算，则 0.804 （36）142.41 MPa 150 MPa 所以缸底部分强度安全。（3） 校核法兰部分强度参照材料14中对于法兰部分强度校核的简化计算方法 （37）0.05 /cm其中为材料泊松比 0.3 （38）其中 777.8 MPacm77.78 kN/cm 6 0.162 5.32 0.47则 649.76 kNcm/cm （39）261.9 MPans 2.02所以法兰部分强度安全。3.1.3 主液压缸高度已知柱塞行程为2500mm，又柱塞与缸底需有2030mm的间隙，如图3-2所示，此次取间隙为25mm。图32在主缸缸口出需要装导套、密封圈、压套，故也要留出一定距离（其中导套的长度王维0.40.8倍柱塞直径，此次取导套长度为600mm），如图3-4所示，此次留出距离取900mm。根据以上尺寸及已算出的主缸的其他尺寸并圆整取得液压缸高度为3650mm。图333.1.4 导向套液压缸导向套在柱塞往复运动时期导向作用，一般用抗压耐磨的ZcuSn6Pb3Zn6锡青铜铸造后加工而成，导套的长度一般取为0.40.8倍柱塞直径，。导向套与液压缸内壁的配合，对于柱塞直径小于500mm时，取H7/k6，与柱塞的配合则为H8/f9。内壁粗糙度为Ra值不大于1.6m。143.1.5密封密封的作用是防止液压系统中工作介质泄漏。如密封失效，工作介质可能从高压腔泄漏到低压腔，或泄漏到原件外部，从而可能造成运动不稳定、停位不准或无法停位，不能保压，污染环境，甚至引起设备其他故障，因此，密封的质量对液压机的工作性能有直接影响。对密封的基本要求是密封性好，摩擦力小。由于密封是易损件，是液压机中最易损坏且需经常更换的零件，因此，密封装置还应该工作寿命长，便于拆装和更换，容易制造或购买到备件。通过参考各种密封圈的优缺点及特性，我选用了V形密封圈，这是一种由纯油橡胶或多层夹织物橡胶压制而成。 3.2 本章小结本章主要针对主缸缸体进行结构设计及校核，并以主缸的参数对上横梁进行设计及校核。4 上横梁和活动横梁的结构设计及校核 4.1 上横梁的结构尺寸设计上横梁采用铸钢作材料，在三个工作缸与立柱处受力，根据法兰直径1600mm 法兰与法兰相隔50mm 对上横梁进行排布，并做受力简图：图41 上横梁受力简图简图中各参数为：主缸与侧缸相同PQ26.67 MN缸法兰的环形接触面的平均直径Dd1490 mm缸中心与立柱中心距离a1350 mm两立柱间中心距l6000 mm将设计尺寸截面简化成等效截面：图42 上横梁中间截面图43 等效截面4.2 上横梁的结构校核（1） 计算中间截面最